基于TMR的MEMS加速度计及制备方法技术

本公开提供一种基于TMR的MEMS加速度计及制备方法，加速度计包括：质量块，用于在受到加速度作用时产生位移；永磁体，设置于质量块的第一侧，用于产生质量块运动方向上的梯度变化磁场；磁敏感元件，设置于质量块的第二侧，用于根据位移与梯度变化磁场产生变化电压信号；处理器，用于根据变化电压信号计算得到加速度；其中，第一侧与第二侧为相对侧，位移的方向与第一侧所在平面平行；永磁体与质量块的间距在微米量级。本公开的加速度计通过设计使磁敏感元件、质量块、永磁体三者垂直排列，使得永磁体在磁敏感元件处能产生更大的磁场，提高了加速度计的灵敏度。度计的灵敏度。度计的灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
基于TMR的MEMS加速度计及制备方法


[0001]本公开涉及加速度计
，尤其涉及一种基于TMR的MEMS加速度计及制备方法。

技术介绍

[0002]加速度计是一种用于测量物体加速度的传感器，是惯性测量系统的关键组成部件，在航空航天、工业生产、汽车船舶、人机交互等领域有着广泛的应用。随着微机电系统(Micro
‑
Electro
‑
Mechanical System，MEMS)相关技术的快速发展，具有低成本、小体积、低功耗、可集成、高可靠等特点的MEMS加速度计逐渐成为主流，制备高性能、微型化的MEMS加速度计成为众多研究人员努力的方向。
[0003]根据检测原理的不同，现有的MEMS加速度可分为压阻式、压电式、电容式、谐振式、电磁式等。压阻式、压电式MEMS加速度计具有相似的结构，区别在于敏感原理分别是压阻效应和压电效应，相关研究较为成熟，缺点是灵敏度较小、非线性误差大、易受温度及材料疲劳效应的影响。电容式MEMS加速度计利用电容变化检测加速度变化，精度高、线性度好、能耗低，但易受电路寄生电容影响，后续信号处理系统复杂。谐振式MEMS加速度计检测敏感单元谐振频率改变来反映加速度变化，精度高、检测电路简单，但高分辨率信号的获取及处理时间较长，系统的实时性差。而对于电磁式加速度计，相关研究尚未成熟，存在尺寸难以小型化、组装要求高等问题。

技术实现思路

[0004](一)要解决的技术问题
[0005]针对现有的技术问题，本公开提供一种基于TMR的MEMS加速度计及制备方法，用于至少部分解决以上技术问题。
[0006](二)技术方案
[0007]本公开提供一种基于TMR的MEMS加速度计，包括：质量块，用于在受到加速度作用时产生位移；永磁体，设置于质量块的第一侧，用于产生质量块运动方向上的梯度变化磁场；磁敏感元件，设置于质量块的第二侧，用于根据位移与梯度变化磁场产生变化电压信号；处理器，用于根据变化电压信号计算得到加速度；其中，第一侧与第二侧为相对侧，位移的方向与第一侧所在平面平行；永磁体与质量块的间距在微米量级。
[0008]可选地，磁敏感元件由多个磁敏感单元串联组成，磁敏感单元包括依次叠加的底电极、TMR多层膜和顶电极；其中，相邻的磁敏感单元共用一个底电极或一个顶电极；多个磁敏感单元的串联方向与位移的方向不平行；磁敏感元件的厚度在纳米量级。
[0009]可选地，TMR多层膜包括依次叠加的参考层、势垒层和自由层；其中，势垒层为绝缘层，用于隔离自由层和参考层；参考层的磁化方向固定；以及自由层的磁化方向不固定，以根据位移与梯度变化磁场产生变化电压信号。
[0010]可选地，基于TMR的MEMS加速度计还包括至少两个悬臂梁和框架；其中，悬臂梁用
于连接质量块和框架，至少两个悬臂梁设置于质量块的不同侧，且连接于框架的不同侧。
[0011]可选地，框架设置有第一凹槽，永磁体设置于第一凹槽中。
[0012]可选地，悬臂梁的宽厚比为1：10～1：100。
[0013]可选地，永磁体的长度为磁敏感元件的长度的至少两倍。
[0014]可选地，质量块的长度与宽度在毫米或厘米量级，厚度在百微米量级；以及磁敏感元件的长度在毫米或厘米量级，宽度在十微米量级。
[0015]本公开另一方面提供一种基于TMR的MEMS加速度计制备方法，包括：采用磁控溅射及图形化方法在衬底的第一侧制备磁敏感元件；刻蚀衬底的第二侧，得到第二凹槽，第二侧为第一侧的相对侧；刻蚀衬底的第一侧，得到质量块，质量块用于在受到加速度作用时产生位移；在衬底的第二侧设置永磁体，得到加速度计，永磁体用于产生质量块运动方向上的梯度变化磁场；其中，磁敏感元件用于根据位移与梯度变化磁场产生变化电压信号；永磁体、质量块和磁敏感元件的中心处于同一直线上。
[0016]可选地，在衬底的第二侧设置永磁体包括：刻蚀衬底的第二侧，得到第一凹槽；刻蚀第一凹槽得到第二凹槽；在第一凹槽中嵌入永磁体。
[0017](三)有益效果
[0018]与现有技术相比，本公开提供的基于TMR的MEMS加速度计及制备方法，至少具有以下有益效果：
[0019](1)本公开的加速度计，磁敏感元件、质量块、永磁体三者垂直排列。垂直排列使得磁敏感元件与永磁体的距离几乎与质量块的厚度一致，永磁体在磁敏感元件处能产生更大的磁场，提高了加速度计的灵敏度。
[0020](2)本公开选用的是多个串联的TMR作为磁敏感元件，TMR为一种高灵敏度的磁传感器，串联也可以起到降噪的功能，提高器件精度，同时多个串联的TMR也可以提高器件的稳定性。
[0021](3)本公开的加速度计制备方法，采用磁控溅射及图形化工艺将磁敏感元件制备在质量块的表面，可以使得整个器件的尺寸更小，有利于提高加速度计的集成化。
附图说明
[0022]通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
[0023]图1A示意性示出了根据本公开实施例的基于TMR的MEMS加速度计的俯视图；
[0024]图1B示意性示出了根据本公开实施例的基于TMR的MEMS加速度计的沿A
‑
A的截面图；
[0025]图2示意性示出了根据本公开实施例的永磁体的磁场方向图；
[0026]图3示意性示出了根据本公开实施例的磁敏感元件的结构图；
[0027]图4A示意性示出了根据本公开实施例的磁敏感元件的制备过程结构变化图；
[0028]图4B示意性示出了根据本公开实施例的加速度计的制备过程结构变化图。
[0029]【附图标记说明】
[0030]1‑
质量块；2
‑
永磁体；3
‑
磁敏感元件；31
‑
磁敏感单元；311
‑
底电极；312
‑
TMR多层膜；313
‑
顶电极；4
‑
悬臂梁；5
‑
框架；6
‑
二氧化硅保护层；7
‑
Au电极。
具体实施方式
[0031]为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
[0032]需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。说明书中示例的各个实施例中的技术特征在无冲突的前提下可以进行自由组合形成新的方案，另外每个权利要求可以单独作为一个实施例或者各个权利要求中的技术特征可以进行组合作为新的实施例，且在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中未绘示或描述的元件或实现方式，为所属
中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于TMR的MEMS加速度计，其特征在于，包括：质量块，用于在受到加速度作用时产生位移；永磁体，设置于所述质量块的第一侧，用于产生所述质量块运动方向上的梯度变化磁场；磁敏感元件，设置于所述质量块的第二侧，用于根据所述位移与所述梯度变化磁场产生变化电压信号；处理器，用于根据所述变化电压信号计算得到加速度；其中，所述第一侧与所述第二侧为相对侧，所述位移的方向与所述第一侧所在平面平行；所述永磁体与所述质量块的间距在微米量级。2.根据权利要求1所述的加速度计，其特征在于，所述磁敏感元件由多个磁敏感单元串联组成，所述磁敏感单元包括依次叠加的底电极、TMR多层膜和顶电极；其中，相邻的所述磁敏感单元共用一个底电极或一个顶电极；所述多个磁敏感单元的串联方向与所述位移的方向不平行；所述磁敏感元件的厚度在纳米量级。3.根据权利要求2所述的加速度计，其特征在于，所述TMR多层膜包括依次叠加的参考层、势垒层和自由层；其中，所述势垒层为绝缘层，用于隔离所述自由层和所述参考层；所述参考层的磁化方向固定；以及所述自由层的磁化方向不固定，以根据所述位移与所述梯度变化磁场产生变化电压信号。4.根据权利要求1所述的加速度计，其特征在于，还包括至少两个悬臂梁和框架；其中，所述悬臂梁用于连接所述质量块和所述框架，所述至少两个悬臂梁设置于所述质量块的不同侧，且连接于所述框架的...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈嘉民，范晨旭，邹旭东，
申请(专利权)人：中国科学院空天信息创新研究院，
类型：发明
国别省市：